Windkraftanlage
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| - | Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse gibt es unter anderem als | + | Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse gibt es unter anderem als Savonius-Rotor oder Darrieus-Rotor. |
| - | Ein Beispiel für eine Windkraftanlage des klassischen | + | Ein Beispiel für eine Windkraftanlage des klassischen Darrieus-Rotors, der von dem Franzosen Georges Darrieus erfunden wurde, ist die 1988 erbaute 110 Meter hohe Anlage Éole in Le Nordais, Cap-Chat in Canada mit vier Megawatt Nennleistung. |
| - | Beispiele für den | + | Beispiele für den H-Darrieus-Rotortyp waren vier Anlagen der Firma Heidelberg Motors mit je einem Megawatt Leistung am Kaiser-Wilhelm-Koog neben der Elbmündung in Brunsbüttel. Letztere mussten zurückgebaut werden, weil ihr damals noch nicht ausgereifter getriebeloser Ringgenerator wegen des Lärmes nachts abgeschaltet werden musste. Das minderte den Ertrag und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen. |
| - | Beim klassischen | + | Beim klassischen Savonius-Rotor des finnischen Erfinders Sigurd Savonius wurden in jüngerer Zeit Weiterentwicklungen bekannt, die einige weitere Verbesserungen und Vorteile erbrachten und zudem einstige Nachteile aufheben konnten. |
| - | Ein Beispiel für alte Windmühlen des Typs mit vertikaler Rotordrehachse ist die | + | Ein Beispiel für alte Windmühlen des Typs mit vertikaler Rotordrehachse ist die Persische Windmühle und die chinesische Windmühle, letztere auffindbar im Artikel Windmühle. |
| - | Eine Variante des H-Darrieus-Rotors benutzt nur einen angeströmten Flügel (mit entsprechendem Kontergewicht), der bei offener durchströmter Anordnung seiner Flügelkomponenten auch bei extremen Anstellwinkeln zur Strömung bedeutend mehr Drehkraft erzeugen kann als bisher übliche geschlossene, symmetrisch aerodynamische Profile. Ein Prototyp mit getriebelosem Generator und 2,4 Meter Rotordurchmesser steht in | + | Eine Variante des H-Darrieus-Rotors benutzt nur einen angeströmten Flügel (mit entsprechendem Kontergewicht), der bei offener durchströmter Anordnung seiner Flügelkomponenten auch bei extremen Anstellwinkeln zur Strömung bedeutend mehr Drehkraft erzeugen kann als bisher übliche geschlossene, symmetrisch aerodynamische Profile. Ein Prototyp mit getriebelosem Generator und 2,4 Meter Rotordurchmesser steht in Gáldar in der Provinz Las Palmas auf der Kanarischen Insel Gran Canaria. Er läuft bei zugeschaltetem, kurzgeschlossenem, also bremsendem Generator ab einer Windgeschwindigkeit von etwa 3 Metern pro Sekunde ohne Anfahrhilfe an. Der Wirkungsgrad ist im theoretischen Rahmen der Leistungsfähigkeit eines Rotors mit vertikaler Drehachse deutlich höher als in der Version mit umschlossenen, symmetrischen Flügelprofilen. Die Anzahl der Flügel ist dabei frei wählbar. Das dazugehörige Patent ist lizenzfrei nutzbar. |
==== Vorteile ==== | ==== Vorteile ==== | ||
Bei vertikal stehender Rotationsachse braucht man nicht den Rotor zur Windrichtung nachzuführen. Der Rotor ist meist zweipunkt-gelagert, wodurch die Belastungen durch Gewicht, Schwingungen und andere im Betrieb auftretende mechanische Kräfte besser verteilt und aufgefangen werden können. Der Generator kann am Boden angeschlossen sein, was die Konstruktion vereinfacht und den Betrieb sicherer macht. Die Flügel werden von der Schwerkraft immer gleichmäßig belastet, weshalb hierdurch keine materialbelastenden Schwingungen auftreten können. Der Geräuschpegel bewegt sich in tolerierbaren Grenzen. Bei direkter Nutzung mechanischer Kraft wie auch bei der Umwandlung in elektrische Energie kann diese an der am Boden gelagerten Rotorwelle leichter abgenommen bzw. erzeugt werden. Turbulenzen, wie sie an 80 % der möglichen Standorte mit guten Windverhältnissen vor allem in Bodennähe auftreten, werden von Läufern mit vertikaler Rotordrehachse hervorragend toleriert und genutzt, ohne nennenswerte Wirkungsgrad-Verluste. | Bei vertikal stehender Rotationsachse braucht man nicht den Rotor zur Windrichtung nachzuführen. Der Rotor ist meist zweipunkt-gelagert, wodurch die Belastungen durch Gewicht, Schwingungen und andere im Betrieb auftretende mechanische Kräfte besser verteilt und aufgefangen werden können. Der Generator kann am Boden angeschlossen sein, was die Konstruktion vereinfacht und den Betrieb sicherer macht. Die Flügel werden von der Schwerkraft immer gleichmäßig belastet, weshalb hierdurch keine materialbelastenden Schwingungen auftreten können. Der Geräuschpegel bewegt sich in tolerierbaren Grenzen. Bei direkter Nutzung mechanischer Kraft wie auch bei der Umwandlung in elektrische Energie kann diese an der am Boden gelagerten Rotorwelle leichter abgenommen bzw. erzeugt werden. Turbulenzen, wie sie an 80 % der möglichen Standorte mit guten Windverhältnissen vor allem in Bodennähe auftreten, werden von Läufern mit vertikaler Rotordrehachse hervorragend toleriert und genutzt, ohne nennenswerte Wirkungsgrad-Verluste. | ||
| - | Die konstruktiven Vorgaben sind durch die Möglichkeit, Anlagen mit vertikaler Rotordrehachse auf einer Kreisbahnlagerung am Boden auf breiter Fläche zu lagern insofern stark erweitert, als damit Größenabmessungen realisierbar sind, die für Anlagen mit horizontaler Rotordrehachse heutzutage technisch unmöglich erscheinen. Dies wurde bereits als Konzept mit aerodynamischen Flügelprofilen genau so wie bei einem Darrieus-Rotor, den man mit zur Strömung nachgeführten Flügeln konzipiert, in England und Amerika als Patentanmeldung eingereicht (siehe im Artikel | + | Die konstruktiven Vorgaben sind durch die Möglichkeit, Anlagen mit vertikaler Rotordrehachse auf einer Kreisbahnlagerung am Boden auf breiter Fläche zu lagern insofern stark erweitert, als damit Größenabmessungen realisierbar sind, die für Anlagen mit horizontaler Rotordrehachse heutzutage technisch unmöglich erscheinen. Dies wurde bereits als Konzept mit aerodynamischen Flügelprofilen genau so wie bei einem Darrieus-Rotor, den man mit zur Strömung nachgeführten Flügeln konzipiert, in England und Amerika als Patentanmeldung eingereicht (siehe im Artikel Kreisbahnlagerung). |
| - | Insbesondere für Anwendungen an Land gilt, dass eine Turbine mit vertikaler Rotationsachse wegen der dort gut aufgefangenen Lastverteilung durch Zweipunktlagerung vorteilhaft in Systeme integriert werden kann, die die Möglichkeit einer vorherigen Konzentration der Strömungsenergie durch speziell dafür entworfene feststehende Einleitflächen ähnlich einer | + | Insbesondere für Anwendungen an Land gilt, dass eine Turbine mit vertikaler Rotationsachse wegen der dort gut aufgefangenen Lastverteilung durch Zweipunktlagerung vorteilhaft in Systeme integriert werden kann, die die Möglichkeit einer vorherigen Konzentration der Strömungsenergie durch speziell dafür entworfene feststehende Einleitflächen ähnlich einer Mantelturbine nutzt. Ein Beispiel hierzu ist der TMA-Rotor, der im Artikel Savonius-Rotor im Abschnitt Entwicklung beschrieben wird. Bei diesem Konzept kann man bei gleicher Leistung eine nur etwa halb so große Turbine wählen, was sich bei entsprechend stabiler Konstruktion sehr vorteilhaft auf die Herstellungskosten und auch auf die Lebensdauer einer Anlage auswirken kann. Der Strömungsdurchsatz der Turbine wird zudem nicht behindert, das Maschinenhaus befindet sich hier unten am Boden. Es ist bei Rotoren mit vertikaler Drehachse auch vorstellbar, verstärkte Strömungen beispielsweise hinter baulichen Hindernissen, in Bergschluchten, in Tunneln und in Hanglagen zu nutzen. Dort kommt in besonderem Maße die gute Turbulenzverträglichkeit aller Anlagen mit vertikalen Rotationsachsen zum Tragen. Auch mag es eine interessante Herausforderung für Architekten sein, einem Bauentwurf ein besonders strömungsverstärkendes Profil zu geben, das durch solche Turbinen dann zur Energieerzeugung genutzt werden kann. |
==== Nachteile ==== | ==== Nachteile ==== | ||
Die Flügel einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotordrehachse stehen in einem Viertel des Rotordrehkreises in einer zur Strömung ungünstigen und energetisch nicht nutzbaren Position. Sie können deshalb auf bestenfalls drei Vierteln ihres Drehkreises den Wind tatsächlich nutzen, in ungünstigen Fällen, je nach Rotortyp und der Art der Flügel, kann es sogar nur die Hälfte sein. Unter den historischen Modellen dieser Bauart trifft dies etwa auf die persische Windmühle zu. Ein Leistungsbeiwert um etwa 0,3 ist für einen Rotor mit vertikaler Drehachse also eine sehr gute Leistung. Ausgeglichen wird dieser Nachteil des geringeren Wirkungsgrades, wenn der Standort eine turbulente Strömungscharakteristik aufweist. Dann nämlich werden bei einem horizontal liegenden Läufer die Flügel von der wechselnden Strömung oft falsch angeblasen, weshalb der Wirkungsgrad stark schwanken kann, während er bei einem Rotor mit vertikaler Achse konstant – wenn auch niedrig – bleibt. | Die Flügel einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotordrehachse stehen in einem Viertel des Rotordrehkreises in einer zur Strömung ungünstigen und energetisch nicht nutzbaren Position. Sie können deshalb auf bestenfalls drei Vierteln ihres Drehkreises den Wind tatsächlich nutzen, in ungünstigen Fällen, je nach Rotortyp und der Art der Flügel, kann es sogar nur die Hälfte sein. Unter den historischen Modellen dieser Bauart trifft dies etwa auf die persische Windmühle zu. Ein Leistungsbeiwert um etwa 0,3 ist für einen Rotor mit vertikaler Drehachse also eine sehr gute Leistung. Ausgeglichen wird dieser Nachteil des geringeren Wirkungsgrades, wenn der Standort eine turbulente Strömungscharakteristik aufweist. Dann nämlich werden bei einem horizontal liegenden Läufer die Flügel von der wechselnden Strömung oft falsch angeblasen, weshalb der Wirkungsgrad stark schwanken kann, während er bei einem Rotor mit vertikaler Achse konstant – wenn auch niedrig – bleibt. | ||
Ein weiterer Nachteil der vertikalen Bauweise sind die Schwingungen und Belastungen der Flügelkonstruktion und deren Halterungen, die der zyklisch auftretende Lastwechsel verursacht, die wiederum durch die unterschiedliche Reaktion der Blätter oder Flügel auf die Strömung im Drehkreis entstehen. Hinzu kommt, dass je nachdem, auf welcher Seite ihres Drehkreises die Flügel beziehungsweise Blätter gerade durch die Strömung laufen, sei es nun auf der Luv- oder auf der Leeseite des Rotors, auch die Seite wechselt, von der sie angeströmt werden. Der Effekt dieser Lastwechsel ähnelt oberflächlich betrachtet einer durch ungleichmäßige Masseverteilung verursachten Unwucht und kann relativ starke Belastungen auf die Konstruktion ausüben. | Ein weiterer Nachteil der vertikalen Bauweise sind die Schwingungen und Belastungen der Flügelkonstruktion und deren Halterungen, die der zyklisch auftretende Lastwechsel verursacht, die wiederum durch die unterschiedliche Reaktion der Blätter oder Flügel auf die Strömung im Drehkreis entstehen. Hinzu kommt, dass je nachdem, auf welcher Seite ihres Drehkreises die Flügel beziehungsweise Blätter gerade durch die Strömung laufen, sei es nun auf der Luv- oder auf der Leeseite des Rotors, auch die Seite wechselt, von der sie angeströmt werden. Der Effekt dieser Lastwechsel ähnelt oberflächlich betrachtet einer durch ungleichmäßige Masseverteilung verursachten Unwucht und kann relativ starke Belastungen auf die Konstruktion ausüben. | ||
| - | Es gibt allerdings Überlegungen, die Anstellung der Flügel durch eine elektrische oder mechanische Verstellung (ähnlich | + | Es gibt allerdings Überlegungen, die Anstellung der Flügel durch eine elektrische oder mechanische Verstellung (ähnlich Taumelscheibe beim Hubschrauber) während der Umdrehung anzupassen. Damit würden die beschriebenen Nachteile teilweise kompensiert. |
== Technik von Windkraftanlagen == | == Technik von Windkraftanlagen == | ||
